论文部分内容阅读
美国页岩气开采取得巨大成功，掀起“页岩气革命”。虽然中国页岩气储量丰富，但受客观因素影响，开采难度极大且开采成本高。页岩气开采的关键技术之一是水力压裂技术。中国需要研究新的水力压裂技术，以节约开采成本。数值模拟为我们提供一种研究手段，可再现水力压裂过程，从而研究新压裂技术可行性。 使用水力压裂技术开发页岩气是否可行，关键是能否提高裂缝网络的复杂程度。该问题的本质是，如何通过人工裂缝诱导天然裂缝，从而使得天然裂缝激活并形成大规模连通性裂缝网络。天然裂缝的激活和裂缝网络的形成受诸多因素影响，如地应力的大小和方向、压裂液的黏度、压裂液注入流速等。采用数值模拟方法可研究上述压裂过程，并用于评价裂缝网络复杂程度。 当前最重要的是缺少高效的、准确的、能够模拟大规模多尺度的水力裂缝扩展模拟方法。当前数值模型和方法存在一些缺陷，如模型无法考虑页岩体水力压裂过程中可能存在的非线性流动，不考虑孔隙基质与裂隙之间的耦合流动，渗流-应力-破裂耦合无法做到真实大尺度模拟，裂缝扩展路径受到限制，隐式算法较难了解裂缝的动态扩展机理等等。 本文旨在解决上述问题，提出水力压裂裂缝网络扩展新数值模拟方法，包括: (1)实现三维孔隙-裂隙耦合渗流算法:该方法将压力节点置于中心处，提高计算效率，真实模拟孔隙基质-裂隙之间的耦合物理流动过程。 (2)一种新的渗流计算理论—LE渗流理论:该理论使用第二类Lagrange方程导出流体在多孔介质中的能量泛函，进而使用基于Euler描述下的Lagrange方程导出渗流积分方程，最后通过渗流面预估，使用中心型有限体积法进行数值离散求解。 (3)一种新的二维/三维水力压裂数值模拟方法——FE-DE-FV耦合数值方法:该方法将FEM、DEM、FVM进行耦合，求解多场问题，尤其是水力压裂问题;充分利用FEM的精度、DEM求解破裂问题的便捷性以及FVM高效性;该算法同时满足BB约束条件，保证了算法稳定性。 (4)GPU高性能并行算法研究:针对当前缺少快速求解大规模水力裂缝扩展模拟程序的状况，开发一种基于GPU的并行算法，用于高效求解水力裂缝扩展问题。 (5)水力压裂机理研究:通过计算不同水力压裂工况，研究压裂过程中的现象，了解其中的力学机理与规律。